DE102009057925B4 - Method for operating an ignition device for an internal combustion engine and ignition device for an internal combustion engine for carrying out the method - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einer als Transformator ausgebildeten Zündspule (ZS), einer mit der Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) verbundenen Zündkerze (ZK), einem in Serie zur Primärwicklung der Zündspule (ZS) geschalteten ansteuerbaren Schaltelement (IGBT) und einer mit der Primärwicklung der Zündspule (ZS) und dem Steuereingang des Schaltelements (IGBT) verbundenen Steuereinheit (SE) gebildet ist, wobei die Steuereinheit (SE) eine einstellbare Versorgungsspannung (Vsupply) für die Zündspule (ZS) und ein Ansteuersignal (IGBT_Control) für das Schaltelement (IGBT) abhängig von den Strömen (I_Prim, I_Sec) durch die Primär- und die Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) und der Spannung zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung der Zündspule (ZS) mit dem Schaltelement (IGBT) und dem negativen Anschluss der Versorgungsspannung (GND) bereitstellt, mit folgendem Ablauf: in einer ersten Phase (Aufladung) wird das Schaltelement (IGBT) durch das Ansteuersignal (IGBT_Control) zu einem ersten Einschaltzeitpunkt (t1) leitend und zum vorgegebenen Zündzeitpunkt (t2) wieder nicht-leitend geschaltet, in einer...Method for operating an ignition device for an internal combustion engine which has an ignition coil (ZS) designed as a transformer, a spark plug (ZK) connected to the secondary winding of the ignition coil (ZS), and a controllable switching element (IGBT) connected in series with the primary winding of the ignition coil (ZS) ) and a control unit (SE) connected to the primary winding of the ignition coil (ZS) and the control input of the switching element (IGBT), the control unit (SE) having an adjustable supply voltage (Vsupply) for the ignition coil (ZS) and a control signal (IGBT_Control ) for the switching element (IGBT) depending on the currents (I_Prim, I_Sec) through the primary and the secondary winding of the ignition coil (ZS) and the voltage between the connection point of the primary winding of the ignition coil (ZS) with the switching element (IGBT) and the negative Connection of the supply voltage (GND) provides, with the following sequence: in a first phase (charging) the switching element nt (IGBT) switched on by the control signal (IGBT_Control) at a first switch-on time (t1) and non-conductive again at the specified ignition time (t2), in a ...

Description

Serien-Zündanlagen in heutigen als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen arbeiten seit vielen Jahrzehnten nach dem einfachen und zuverlässigen Prinzip der Spulenentladung, d. h. eine entsprechend als Transformator ausgelegte Zündspule wird auf der Primärseite entsprechend ihrer Induktivität aus der Bordnetzspannung teilweise bis in ihren Sättigungsbereich geladen. Zum Zündzeitpunkt wird mittels einer elektronischen Schaltung, z. B. durch einen Zündungs-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), die Aufladung unterbrochen. Auf der Sekundärseite baut sich dadurch eine Spannung von z. B. 5 kV bis 35 kV auf, die im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine im Funkenspalt der Zündkerze zu einem Überschlag führt. Anschließend baut sich die in der Spule gespeicherte Energie im Zündplasma ab.Series ignition systems in today's trained as gasoline engines internal combustion engines have been working for many decades after the simple and reliable principle of the coil discharge, d. H. an appropriately designed as a transformer ignition coil is partially loaded on the primary side according to their inductance from the vehicle electrical system voltage to its saturation region. At the ignition is by means of an electronic circuit, for. B. by an ignition IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), the charging interrupted. On the secondary side, this creates a voltage of z. B. 5 kV to 35 kV, which leads to a flashover in the combustion chamber of the internal combustion engine in the spark gap of the spark plug. Subsequently, the energy stored in the coil degrades in the ignition plasma.

Im Zuge der voranschreitenden Motorenentwicklung müssen Verbrauchseinsparungen und Emissionen realisiert werden, die in den letzten Jahren konsequent zu einer steigenden Mehrbelastung des Zündsystems geführt haben und künftig noch weiter führen werden. Beispiele hierfür sind z. B. die Schichtverbrennung, bei der flüssige Kraftstoffbestandteile mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Funkenentladung behindern und zahlreiche Funkenneubildungen erzwingen. Auch steigende Brennraumdrücke zur Verbesserung des Motorwirkungsgrades erhöhen den Durchbruchswiderstand im Funkenspalt und erzwingen einen Anstieg der Durchbruchsspannung, die auch Einfluss auf den Zündkerzenverschleiß besitzt. Letzteres wird bei künftigen hoch aufgeladenen Motorgenerationen zu sekundärseitigen Spannungsanstiegen weit jenseits der 35 kV führen. Sowohl die steigenden Durchbruchsspannungen als auch die intensiver werdenden Strömungszustände an der Zündkerze verkürzen tendenziell die Brenndauer des Funkens, da immer größere Anteile der in der Spule gespeicherten Energie zum Funkenaufbau und -erhalt bereit gestellt werden müssen. Ein viel versprechender Trend in der Entwicklung neuer Brennverfahren ist der Einsatz von Mehrfachfunken, wobei die Spulenenergie in kurzen Intervallen effizient an das Gemisch übertragen wird, was die Entflammungssicherheit erhöht.In the course of advancing engine development, fuel savings and emissions must be realized, which have consistently led to an increase in the burden on the ignition system in recent years and will continue to do so in the future. Examples are z. As the stratified combustion, in the liquid fuel components with high flow velocities hinder the spark discharge and force numerous new radioactive substances. Increasing combustion chamber pressures to improve engine efficiency also increase break-through resistance in the spark gap and force an increase in breakdown voltage, which also affects spark plug wear. The latter will lead to secondary-side voltage rises far beyond the 35 kV in future highly charged engine generations. Both the rising breakdown voltages and the increasingly intense flow conditions at the spark plug tend to shorten the burning time of the spark, since ever greater proportions of the energy stored in the coil must be made available for sparking and sustaining. A promising trend in the development of new combustion processes is the use of multiple sparks, where the coil energy is efficiently transferred to the mixture at short intervals, increasing the flameproofness.

Bei sich derzeit im Einsatz befindenden Zündvorrichtungen wird eine als Transformator mit magnetischer Speicherfähigkeit ausgebildete Zündspule zunächst primärseitig aus der 12 V Bordnetzversorgung bis zu einem Strom von ca. 8 A geladen. Eine sekundärseitig angebrachte Sperrdiode verhindert dabei eine ungewollte Funkenbildung während der Ladephase. Zum Zündzeitpunkt wird mittels eines elektronischen Schalters – z. B. eines IGBT – der Stromfluss unterbrochen.When currently in use detonators designed as a transformer with magnetic storage capability ignition coil is initially loaded on the primary side of the 12 V board power supply up to a current of about 8 A. A secondary diode mounted blocking diode prevents unwanted sparking during the charging phase. At the ignition is by means of an electronic switch -. B. an IGBT - the current flow interrupted.

Der Zusammenbruch des magnetischen Feldes der Zündspule induziert nun primär- und sekundärseitig einen Spannungsanstieg. Bedingt durch die verwendete Halbleitertechnologie des IGBT wird die Primärspannung dabei auf typisch 400 V begrenzt. Sekundärseitig erreicht die Spannung jedoch einen wesentlich höheren Wert, der zunächst durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators bestimmt ist. Bei einem gebräuchlichen Übersetzungsverhältnis von 1:80 ergibt sich somit eine maximale Sekundärspannung von 32 kV. Diese Spannung wird jedoch in der Praxis nicht erreicht, da bereits vorher ein Spannungsdurchbruch zwischen den Elektroden der Zündkerze mit anschließendem Lichtbogen erfolgt, woraufhin die Sekundärspannung abrupt auf den Wert der Bogenbrennspannung abfällt. Typische Werte für die Durchbruchspannung liegen bei 5 kV bis 35 kV und hängen stark vom Elektrodenabstand, dem Brennraumdruck und der Gastemperatur ab. Die Brennspannung des Lichtbogens liegt im Bereich von wenigen kV.The collapse of the magnetic field of the ignition coil now induces a voltage increase on the primary and secondary side. Due to the used semiconductor technology of the IGBT, the primary voltage is limited to typically 400 V. On the secondary side, however, the voltage reaches a much higher value, which is initially determined by the transformation ratio of the transformer. With a common transmission ratio of 1:80, this results in a maximum secondary voltage of 32 kV. However, this voltage is not reached in practice, since already before a voltage breakdown between the electrodes of the spark plug with subsequent arc takes place, whereupon the secondary voltage drops abruptly to the value of the sheet-burning voltage. Typical values for the breakdown voltage are 5 kV to 35 kV and depend strongly on the electrode spacing, the combustion chamber pressure and the gas temperature. The arc voltage of the arc is in the range of a few kV.

Zum Erreichen der Durchbruchspannung müssen zunächst die sekundärseitigen Kapazitäten – verursacht durch die Zündkerze und den Aufbau der Sekundärwicklung – aufgeladen werden. Für eine gegebene Durchbruchspannung Uz gilt dabei: Ec = Csec·Uz2/2 {1}

Ec
ist die zum Erreichen der Durchbruchspannung erforderliche Energie,
Csec
ist die sekundär wirksame Kapazität.
To achieve the breakdown voltage, the secondary-side capacitances - caused by the spark plug and the structure of the secondary winding - must first be charged. For a given breakdown voltage Uz, the following applies: Ec = Uz CSEC · 2/2 {1}
ec
is the energy required to reach the breakdown voltage,
CSEC
is the secondary effective capacity.

Diese Energie wird beim gebräuchlichen Zündsystem von der Hauptinduktivität Lh des Zündtransformators geliefert, die zuvor entsprechend aufgeladen wurde. El = Lh·I2/2 {2}

El
ist die gespeicherte Energie
Lh
ist der Hauptinduktivität des Transformators
I
ist der Ladestrom
This energy is supplied in the conventional ignition system of the main inductance Lh of the ignition transformer, which was previously charged accordingly. El = L h · I 2/2 {2}
El
is the stored energy
lh
is the main inductance of the transformer
I
is the charging current

Bei gebräuchlichen als Zündtransformatoren ausgebildeten Zündspulen beträgt die maximale gespeicherte Energie 50 mJ bis 130 mJ. Die nach dem Durchbruch verfügbare Restenergie wird in der anschließenden Bogenphase im Lichtbogen umgesetzt, wobei der Sekundärstrom stetig fällt. Die Brenndauer des Bogens von typisch 0,5 ms bis 1,5 ms wird im Wesentlichen durch diese Restenergie bestimmt.In common trained as ignition transformers ignition coils, the maximum stored energy is 50 mJ to 130 mJ. The residual energy available after breakthrough is converted in the subsequent arc phase in the arc, the secondary current drops steadily. The burning time of the arc of typically 0.5 ms to 1.5 ms is essentially determined by this residual energy.

Der Forderung nach längerer Brenndauer – und damit erhöhter Zündenergie – bei schwierigen Entflammungssituationen kann durch Erhöhung der maximalen gespeicherten Energie entsprochen werden. Dies bedingt allerdings eine Vergrößerung des Magnetkerns, was zu einer unerwünschten Vergrößerung der Zündspule führt. Besonders bei sogenannten ”Pencil Coils”, die direkt im Kerzenschacht verbaut sind, ist eine Vergrößerung nicht möglich. Ein weiterer Nachteil einer einfachen Erhöhung der Zündenergie ist der damit einhergehende überproportionale Verschleiß der Zündkerze, weshalb die gewünschte Lebensdauer nicht mehr erreichbar ist. Heutige Zündsysteme haben diese Grenze zum Teil bereits erreicht, so dass die einfache Erhöhung der Zündenergie kein technisch sinnvoller Ansatz ist.The demand for longer burning time - and thus increased ignition energy - in difficult situations of ignition can be met by increasing the maximum stored energy. However, this requires an enlargement of the magnetic core, resulting in an undesirable Magnification of the ignition coil leads. Especially with so-called "pencil coils", which are installed directly in the candle shaft, an enlargement is not possible. Another disadvantage of a simple increase in the ignition energy is the associated disproportionate wear of the spark plug, which is why the desired life is no longer achievable. Today's ignition systems have already partially reached this limit, so that simply increasing the ignition energy is not a technically sensible approach.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein Betrieb der Zündkerze mit Wechselstrom eine zwei- bis dreifach längere Lebensdauer ermöglicht. Entsprechend wurden Wechselspannungszündsysteme für Kfz entwickelt. Hierbei ist die Zündspule als reiner Transformator mit nur geringer Speicherfähigkeit ausgebildet. Bei technisch sinnvollen Übersetzungsverhältnissen von z. B. 1:100 wird zum Erreichen einer Durchbruchsspannung von z. B. 20 kV eine Primärspannung von 200 V benötigt, was wiederum einen aufwändigen und teueren Spannungswandler erforderlich macht. Auch reduziert das große Übersetzungsverhältnis – von 12 V Bordnetzspannung zu 200 V Zündungsversorgung – den Wirkungsgrad des Spannungswandlers, was wiederum den Gesamtwirkungsgrad des Zündsystems reduziert.However, it has been found that an operation of the spark plug with alternating current allows a two to three times longer life. Accordingly, AC ignition systems for automotive have been developed. Here, the ignition coil is designed as a pure transformer with low storage capacity. For technically meaningful ratios of z. B. 1: 100 is to achieve a breakdown voltage of z. B. 20 kV requires a primary voltage of 200 V, which in turn makes a complex and expensive voltage transformer required. Also reduces the large transmission ratio - from 12 V electrical system voltage to 200 V ignition supply - the efficiency of the voltage converter, which in turn reduces the overall efficiency of the ignition system.

Die Verwendung solch einer Wechselspannungszündung kann das verbrennungstechnische Problem zwar lösen, ist aber aus Kostengründen nur für Fahrzeuge der Oberklasse geeignet. Also musste bisher der mit steigender Funkenenergie einhergehende Zündkerzenverschleiß akzeptiert werden bzw. entflammungskritische Betriebszustände konnten am Serienmotor nicht realisiert werden.Although the use of such an alternating voltage ignition can solve the problem of combustion technology, for cost reasons it is only suitable for vehicles of the upper class. So far had to be accepted with increasing spark energy spark plug wear or flame-critical operating conditions could not be realized on the production engine.

Die EP 1 854 997 A2 beschreibt eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Steuerung bzw. Regelung des Sekundärstromes erfolgt, jedoch wird dort gemäß 2 mit zugehöriger Beschreibung in der ersten Durchbruchphase (Ph2) nicht die Primärspannung auf Unterschreiten eines Schwellwertes überwacht, um ggf. den Primärstrom wieder einzuschalten, sondern während der gesamten Phase Ph2 wird der Sekundärstrom mit einem vorgegebenen Verlauf verglichen und durch ständiges Ein- und Ausschalten des Primärstroms der Sekundärstrom auf diesen vorgegebenen Verlauf geregelt. Das Ziel ist es, dort im Idealfall über die gesamte Zündphase einen vorgegebenen Sekundärstrom gleicher Polarität aufrechtzuerhalten.The EP 1 854 997 A2 describes an ignition device for an internal combustion engine, in which a control or regulation of the secondary flow takes place, but there according to 2 with associated description in the first breakdown phase (Ph2) does not monitor the primary voltage falls below a threshold to possibly turn on the primary current again, but during the entire phase Ph2 of the secondary current is compared with a predetermined course and by constantly switching on and off of the primary current the secondary current regulated to this predetermined course. The goal is to ideally maintain a given secondary current of the same polarity over the entire ignition phase there.

Die DE 101 21 993 A1 lehrt ein Zündsystem für Verbrennungsmotoren, bei dem die Dauer des Zündfunkens variabel eingestellt werden können soll. Dabei ist zwar der Sekundärstrom als Wechselstrom ausgebildet, jedoch wird die dortige Steuerung vorzugsweise als reine Zeitsteuerung ausgebildet, der eine Begrenzung des Primärstroms auf einen Maximalwert lediglich überlagert ist.The DE 101 21 993 A1 teaches an ignition system for internal combustion engines, in which the duration of the spark to be variably adjusted. Although the secondary current is designed as an alternating current, but the local control is preferably designed as pure timing, which is only superimposed on a limitation of the primary current to a maximum value.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist eine wesentliche Verbesserung des Zündverhaltens bei gleichzeitig wesentlich erhöhter Lebensdauer der Zündkerze. Auch sollen die Komponenten eines gebräuchlichen Zündsystems möglichst ohne zusätzlichen Aufwand genutzt werden können.The problem underlying the invention is a significant improvement of the ignition behavior at the same time significantly increased life of the spark plug. Also, the components of a conventional ignition system should be possible to use as possible without additional effort.

Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 durch ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einer als Transformator ausgebildeten Zündspule, einer mit der Sekundärwicklung der Zündspule verbundenen Zündkerze, einem in Serie zur Primärwicklung der Zündspule geschalteten ansteuerbaren Schaltelement und einer mit der Primärwicklung der Zündspule und dem Steuereingang des Schaltelements verbundenen Steuereinheit gebildet ist, gelöst. Erfindungsgemäß stellt die Steuereinheit eine einstellbare Versorgungsspannung für die Zündspule und ein Ansteuersignal für das Schaltelement abhängig von den Strömen durch die Primär- und die Sekundärwicklung der Zündspule und der Spannung zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung der Zündspule mit dem Schaltelement und dem negativen Anschluss der Versorgungsspannung bereit. Das Verfahren hat dabei folgenden Ablauf:
in einer ersten Phase (Aufladung) wird das Schaltelement durch das Ansteuersignal zu einem ersten Einschaltzeitpunkt leitend und zum vorgegebenen Zündzeitpunkt wieder nicht-leitend geschaltet,
in einer sich anschließenden zweiten Phase (Durchbruch) wird die Primärspannung oder eine davon abgeleitete Spannung mit einem ersten Schwellwert verglichen und bei Unterschreiten des ersten Schwellwerts durch diese Spannung das Schaltelement zu einem zweiten Einschaltzeitpunkt wieder leitend geschaltet,
in einer sich daran anschließenden dritten Phase (Bogen) wird die Versorgungsspannung derart geregelt, dass der Strom durch die Sekundärwicklung der Zündspule etwa einem vorgegebenen Strom entspricht und der Strom durch die Primärwicklung der Zündspule wird mit einem vorgegebenem zweiten Schwellwert verglichen und bei Überschreiten des zweiten Schwellwerts durch diesen Strom das Schaltelement zu einem ersten Abschaltzeitpunkt wieder nicht-leitend geschaltet,
in einer sich daran anschließenden vierten Phase (Durchbruch) wird der Strom durch die Sekundärwicklung der Zündspule mit einem dritten Schwellwert verglichen und bei Unterschreiten des dritten Schwellwerts durch diesen Strom wird das Schaltelement zu einem dritten Einschaltzeitpunkt wieder leitend geschaltet,
daran anschließend werden die dritte und die vierte Phase gegebenenfalls wiederholt, bis eine vorgegebene Brenndauer zu einem Zeitpunkt erreicht ist, zu dem das Schaltelement endgültig nicht-leitend geschaltet wird.The object is achieved according to claim 1 by a method for operating an ignition device for an internal combustion engine, which is formed with a trained as a transformer coil, a connected to the secondary winding of the ignition coil, a series-connected to the primary winding of the ignition coil controllable switching element and one with the primary winding of Ignition coil and the control input of the switching element connected control unit is formed, solved. According to the invention, the control unit provides an adjustable supply voltage for the ignition coil and a drive signal for the switching element depending on the currents through the primary and the secondary winding of the ignition coil and the voltage between the connection point of the primary winding of the ignition coil with the switching element and the negative terminal of the supply voltage. The procedure has the following procedure:
in a first phase (charging), the switching element is turned on by the control signal at a first switch-on and at the predetermined ignition again non-conductive,
in a subsequent second phase (breakdown), the primary voltage or a voltage derived therefrom is compared with a first threshold value and, when the first threshold value is undershot by this voltage, the switching element is again switched to a second switch-on instant,
in a subsequent third phase (arc), the supply voltage is controlled such that the current through the secondary winding of the ignition coil corresponds approximately to a predetermined current and the current through the primary winding of the ignition coil is compared with a predetermined second threshold and at the second threshold switched by this current, the switching element to a first turn-off again non-conductive,
in a subsequent fourth phase (breakdown), the current through the secondary winding of the ignition coil is compared with a third threshold value and when the third threshold value is undershot by this current, the switching element is switched on again at a third switch-on time,
subsequently, the third and fourth phases are optionally repeated until a predetermined burning time is reached at a time, to which the switching element is finally switched non-conductive.

Die Aufgabe wird außerdem durch eine Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is also achieved by an ignition device for an internal combustion engine according to claim 5. Advantageous developments are specified in the subclaims.

In erfindungsgemäßer Weise wird dabei die Erkenntnis genutzt, dass der Kerzenverschleiß beim gebräuchlichen Zündsystem ganz wesentlich durch die Höhe des maximalen Stromwertes während der Brennphase des Lichtbogens beeinflusst wird. Ein etwa konstanter Gleichstrom verursacht bei gleichem Effektivwert deutlich weniger Verschleiß als der gebräuchliche dreieckförmige Sekundärstrom mit hohem Spitzenwert. Wird während der Brennphase die Polarität des Stromflusses einmal oder mehrmals umgekehrt, so verringert sich der Verschleiß weiter.According to the invention, the knowledge is used that the candle wear in the conventional ignition system is significantly influenced by the height of the maximum current value during the burning phase of the arc. An approximately constant DC current causes significantly less wear at the same rms value than the conventional triangular secondary current with a high peak value. If the polarity of the current flow is reversed once or several times during the firing phase, the wear continues to decrease.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Zündvorrichtung haben dabei folgende besonderen Merkmale:
Die als Transformator ausgebildete Zündspule wird bis zum ersten Durchbruch des Funkens konventionell betrieben. Nach dem Durchbruch wird der Zündfunke im Wesentlichen von der Primärseite des Transformators gespeist. Dabei wird eine variable Versorgungsspannung dergestalt verwendet, dass der sekundärseitige Strom einen gewünschten zeitlichen Verlauf hat. Es erfolgt ein Nachladen der Hauptinduktivität, um beim Erlöschen des Funkens schnell neu zünden zu können. Aufgrund des Betriebs des Transformators mit veränderbarer Versorgungsspannung wird eine vorzeitige Funkenbildung (Einschaltfunken) vermieden. Der Ladezustand des Transformators kann während der Brenndauer eingestellt werden. Es kann eine Entkopplung von Ladezeit und Ladeenergie dargestellt werden, indem die Versorgungsspannung bei Erreichen des Sollstroms auf Konstantstrom geregelt wird. Es kann eine kostenoptimierte Zündspule (Transformator) verwendet werden, die nur die für den Durchbruch nötige Spannung/Energie darstellen kann. Es erfolgt ein Wechselspannungsbetrieb, indem wechselweise die Versorgung des Funkens aus der primärseitigen Versorgungsspannung und der im Zündtransformator gespeicherten Energie erfolgt. Hierdurch kehren sich jedes Mal die Polarität von Strom und Spannung an der Zündkerze um. Die Brenndauer des Funkens kann nahezu frei gestaltet werden. Es sind Mehrfachfunken durch schnelles Laden mit der verfügbaren hohen Spannung unter Berücksichtigung der Restenergie der Spule möglich. Der Funken kann aktiv ausgeschaltet werden durch Verringerung der Versorgungsspannung unter die rücktransformierte Bogenspannung bei gleichzeitig eingeschaltetem IGBT. Die Kombination aus verringertem sekundärem Spitzenstrom und Polaritätswechsel erlaubt es nun, den Lichtbogen wesentlich länger aufrecht zu erhalten, ohne die Lebensdauer der Zündkerze einzuschränken. Die längere Brenndauer des Lichtbogens verbessert das Entflammungsverhalten ganz wesentlich.The method according to the invention and the ignition device according to the invention have the following special features:
The trained as a transformer ignition coil is operated conventionally until the first breakthrough of the spark. After the breakthrough, the spark is essentially fed from the primary side of the transformer. In this case, a variable supply voltage is used in such a way that the secondary-side current has a desired time course. There is a recharging of the main inductance to re-ignite quickly when the spark goes out. Due to the operation of the transformer with variable supply voltage premature sparking (Einschaltfunken) is avoided. The state of charge of the transformer can be set during the burning period. A decoupling of charging time and charging energy can be represented by controlling the supply voltage to constant current when the desired current is reached. It can be a cost-optimized ignition coil (transformer) can be used, which can only represent the necessary voltage for the breakthrough / energy. There is an AC operation by alternately supplying the spark from the primary-side supply voltage and the stored energy in the ignition transformer. This always reverses the polarity of the current and voltage across the spark plug. The burning time of the spark can be made almost free. Multiple sparks are possible by fast charging with the available high voltage considering the residual energy of the coil. The spark can be actively switched off by reducing the supply voltage below the transformed arc voltage with the IGBT switched on at the same time. The combination of reduced secondary peak current and polarity reversal now allows the arc to sustain much longer without compromising the life of the spark plug. The longer burning time of the arc significantly improves the flaming behavior.

Zudem erlaubt die gewählte Ausführung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein spontanes Nachzünden, sollte der Lichtbogen durch extrem hohe Turbulenzen verblasen werden und verlöschen. Dies wiederum erhöht die Zündsicherheit ganz wesentlich.In addition, according to an advantageous development, the selected embodiment allows a spontaneous subsequent ignition, should the arc be blown by extremely high turbulences and extinguished. This, in turn, significantly increases ignition safety.

Auch ist die Erzeugung mehrerer, rasch aufeinander folgender Zündfunken möglich.Also, the generation of several, rapidly successive sparks is possible.

Das erfindungsgemäße Konzept nutzt die Komponenten eines bestehenden Zündsystems vollständig, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Ansteuerung in vorteilhafter Weise die Sperrdiode in der Zündspule entfällt.The concept according to the invention makes full use of the components of an existing ignition system, the blocking diode in the ignition coil advantageously being eliminated due to the control according to the invention.

Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt auch eine wesentliche Verkleinerung der Zündspule, was für ”Pencil Coils” wegen des beengten Bauraumes im Kerzenschacht von besonderem Vorteil ist. Die Verkleinerung der Zündspule reduziert ihre Herstellungskosten ganz wesentlich.The inventive concept also allows a significant reduction of the ignition coil, which is particularly advantageous for "pencil coils" because of the limited space in the plug shaft. The reduction of the ignition coil significantly reduces their manufacturing costs.

Die erfindungsgemäße Formung der Funkenenergie mittels Regelung ermöglicht eine weitgehend frei wählbare Funkendauer und frei wählbaren Funkenstromverlauf. Zugleich wird die in der Zündspule zu speichernde Energie auf einen Wert verringert, mit dem noch ein sicherer Aufbau der jeweilig maximal zu erwartenden Durchbruchsspannung gewährleistet ist.The inventive shaping of the spark energy by means of regulation allows a largely arbitrary spark duration and arbitrary spark current profile. At the same time, the energy to be stored in the ignition coil is reduced to a value with which a secure construction of the respective maximum expected breakdown voltage is ensured.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigenThe invention will be described below with reference to an embodiment with the aid of figures. Show

1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung, 1 a block diagram of an ignition device according to the invention,

2 eine detaillierte Schaltung einer Steuereinheit und 2 a detailed circuit of a control unit and

3 ein Ablaufdiagramm, das die zeitlichen Zusammenhänge verdeutlicht. 3 a flow chart that illustrates the temporal relationships.

Die erfindungsgemäße Zündvorrichtung gemäß 1 beinhaltet eine steuerbare, als Spannungswandler ausgebildete Versorgunsspannungsquelle DC/DC zur Versorgung einer oder mehrerer Zündspulen ZS mit einer veränderbaren Versorgungsspannung Vsupply. Sie wird aus der Bordnetzspannung V_bat von derzeit etwa 12 V versorgt. Sie versorgt eine oder mehrere Zündspulen ZS, wobei in vorteilhafter Weise keine Sperrdiode mehr nötig ist. Es können gebräuchliche Zündkerzen ZK verwendet werden, die mit der Sekundärwicklung der Zündspule ZS verbunden werden. Die Primärwicklung der Zündspule ZS ist mit einem meist als IGBT ausgebildeten Schaltelement zum Schalten der Zündspule ZS in Serie geschaltet. Es sind Vorrichtungen zum Erfassen der Primärspannung und des Primär- sowie des Sekundärstroms vorgesehen.The ignition device according to the invention according to 1 includes a controllable, designed as a voltage converter supply voltage source DC / DC for supplying one or more ignition coils ZS with a variable supply voltage Vsupply. It is supplied from the vehicle electrical system voltage V_bat of currently about 12 V. It supplies one or more ignition coils ZS, advantageously no more blocking diode is needed. Common spark plugs ZK can be used which are connected to the secondary winding of the ignition coil ZS. The primary winding of the ignition coil ZS is connected in series with a switching element, usually designed as an IGBT, for switching the ignition coil ZS. Devices are provided for detecting the primary voltage and the primary and secondary currents.

Eine Steuereinheit SE erzeugt abhängig von den erfassten Betriebsgrößen mittels des Spannungswandlers DC/DC die veränderbare Versorgungsspannung Vsupply sowie das Ansteuersignal IGBT_Control für das Schaltelement IGBT.A control unit SE generates depending on the detected operating variables by means of the voltage converter DC / DC, the variable supply voltage Vsupply and the drive signal IGBT_Control for the switching element IGBT.

Die Steuereinheit SE wird wiederum von einem (nicht dargestellten) Mikrokontroller gesteuert, welcher über gesonderte Timing-Eingänge in Echtzeit den Zündzeitpunkt je Zündspule vorgibt. Über eine weitere Schnittstelle – etwa das gebräuchliche SPI (Serial Peripheral Interface) – können Daten zwischen dem Mikrokontroller und der Steuereinheit SE ausgetauscht werden.The control unit SE is in turn controlled by a (not shown) microcontroller, which specifies via separate timing inputs in real time the ignition time per ignition coil. Via a further interface - such as the common SPI (Serial Peripheral Interface) - data can be exchanged between the microcontroller and the control unit SE.

Der Spannungswandler DC/DC erzeugt aus der 12 V Bordnetzversorgung V_bat eine Versorgungsspannung Vsupply. Der Wert dieser Versorgungsspannung Vsupply ist mittels des Steuersignals V_Control am Steuereingang Ctrl des Spannungswandlers DC/DC in einem Bereich von beispielsweise 2 bis 30 V hoch dynamisch steuerbar. Der Spannungswandler DC/DC kann dabei den erforderlichen Ladestrom für die jeweils aktivierte Zündspule ZS liefern.The voltage converter DC / DC generates a supply voltage Vsupply from the 12 V onboard power supply V_bat. The value of this supply voltage Vsupply is dynamically controllable by means of the control signal V_Control at the control input Ctrl of the voltage converter DC / DC in a range of, for example, 2 to 30 V high. The voltage converter DC / DC can deliver the required charging current for the respective activated ignition coil ZS.

Als Zündspule ZS kann ein gebräuchlicher Typ mit einem Übersetzungsverhältnis von z. B. 1:80 dienen, wobei jedoch auf die bei heute gebräuchlichen notwendige Sperrdiode verzichtet werden kann. Abhängig von der Anzahl der Zylinder des verwendeten Ottomotors sind z. B. 3 bis 8 Zündspulen erforderlich. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch möglich, eine Zündspule mit wesentlich geringerer maximaler Speicherenergie zu verwenden.As ignition coil ZS, a common type with a transmission ratio of z. B. serve 1:80, but can be dispensed with the usual today in use blocking diode. Depending on the number of cylinders of the gasoline engine used z. B. 3 to 8 coils required. Due to the method according to the invention, however, it is possible to use an ignition coil with much lower maximum storage energy.

Als Zündkerze ZK kann ein gebräuchlicher Typ dienen. Ihre genaue Ausgestaltung wird vom Einsatz im Motor bestimmt.As a spark plug ZK can serve a common type. Their exact design is determined by the use in the engine.

Als Schaltelement IGBT kann ebenfalls ein gebräuchlicher Typ mit einer internen Spannungsbegrenzung von beispielsweise 400 V verwendet werden. Abhängig vom benötigten Ladestrom kann seine erforderliche Stromtragfähigkeit jedoch verringert werden.As a switching element IGBT, a common type with an internal voltage limitation of, for example, 400 V can also be used. Depending on the required charging current, however, its required ampacity can be reduced.

Das Signal V_Prim bildet die mittels eines Spannungsteilers aus Widerständen R1 und R2 untersetzte Primärspannung der Zündspule ZS von bis zu 400 V auf einen für die Steuereinheit SE nutzbaren Wertebereich von z. B. 5 V ab. Der Wert der Spannungsteilung beträgt im genannten Beispiel 1:80. Der Spannungsteiler R1, R2 ist zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung der Zündspule ZS und dem Schaltelement IGBT und dem Masseanschluss 0 angeordnet. Der Masseanschluss 0 ist mit dem negativen Potential GND der Versorgungsspannung Vsupply verbunden.The signal V_Prim forms the reduced by means of a voltage divider from resistors R1 and R2 primary voltage of the ignition coil ZS of up to 400 V to a useful for the control unit SE value range of z. B. 5V from. The value of the voltage division is 1:80 in the example mentioned. The voltage divider R1, R2 is arranged between the connection point of the primary winding of the ignition coil ZS and the switching element IGBT and the ground terminal 0. The ground terminal 0 is connected to the negative potential GND of the supply voltage Vsupply.

Zur Messung des Stromes durch die Primärwicklung des Zündspule ZS ist ein Widerstand R3 in Serie mit der Primärwicklung und dem Schaltelement IGBT geschaltet. Der durch den Widerstand R3 fließende Ladestrom erzeugt eine den Strom repräsentierende Spannung I_Prim.For measuring the current through the primary winding of the ignition coil ZS, a resistor R3 is connected in series with the primary winding and the switching element IGBT. The charging current flowing through the resistor R3 generates a current representing voltage I_Prim.

In gleicher Weise ist mit der Sekundärwicklung der Zündspule ZS ein Widerstand R4 in Reihe geschaltet. Der durch diesen Widerstand R4 fließende Sekundärstrom erzeugt die am Widerstand R4 abfallende Spannung I_Sec.In the same way, a resistor R4 is connected in series with the secondary winding of the ignition coil ZS. The secondary current flowing through this resistor R4 generates the voltage I_Sec dropped across the resistor R4.

Die Steuereinheit SE umfasst den Spannungswandler DC/DC und eine Steuerschaltung Control. Diese erfasst die Signale V_Prim, I_Prim und I_Sec und vergleicht sie mittels Spannungsvergleichern Comp1 ... Comp4 gemäß 2 mit Schwell- bzw. Sollwerten V1 ... V5.The control unit SE comprises the voltage converter DC / DC and a control circuit Control. This detects the signals V_Prim, I_Prim and I_Sec and compares them by means of voltage comparators Comp1 ... Comp4 according to 2 with threshold or setpoint values V1 ... V5.

Zu einem Zeitpunkt, der durch das Eingangssignal Timing vom Mikrokontroller vorgegeben wird, löst die Steuereinheit SE einen Zündvorgang aus, wobei Brenndauer und Bogenstrom geregelt werden. Dazu wird erfindungsgemäß über das Steuersignal V_Control die Versorgungsspannung Vsupply gesteuert, bzw. über das Ansteuersignal IGBT_Control das Schaltelement IGBT ein- und ausgeschaltet. Das Steuersignal V_Control liegt am Ausgang eines von der Ablaufsteuerung ALS steuerbaren Schaltmittels SM an und wird abhängig von der Ansteuerung entweder von einer Reglerschaltung Regler1 oder der Ablaufsteuerung ALS gebildet.At a time, which is predetermined by the input signal timing from the microcontroller, the control unit SE triggers an ignition process, wherein the burning time and arc current are regulated. For this purpose, the supply voltage Vsupply is controlled according to the invention via the control signal V_Control, or the switching element IGBT is switched on and off via the drive signal IGBT_Control. The control signal V_Control is applied to the output of a controllable by the flow control ALS switching means SM and is formed depending on the control either by a regulator circuit controller 1 or the flow control ALS.

Bei Ottomotoren mit mehreren Zylindern sind entsprechend mehrere Timing-Eingänge und mehrere IGBT_Control Ausgänge vorzusehen.For gasoline engines with several cylinders, several timing inputs and several IGBT_Control outputs must be provided accordingly.

Des Weiteren ist die Steuerschaltung Control über eine SPI-Schnittstelle mit dem Mikrokontroller verbunden. Hiermit kann der Mikrokontroller Vorgaben für Ladestrom, Brenndauer, Brennstrom übertragen; aber auch Vorgaben für die Ausgestaltung einer Mehrfachfunkenzündung. In Gegenrichtung kann die Steuerung Status- und Diagnoseinformationen an den Mikrokontroller übertragen.Furthermore, the control circuit Control is connected to the microcontroller via an SPI interface. Hereby, the microcontroller can transmit specifications for charging current, burning time, fuel flow; but also specifications for the design of a multiple spark ignition. In the opposite direction, the controller can transmit status and diagnostic information to the microcontroller.

Die in der Steuerschaltung Control ausgebildete Ablaufsteuerung ALS kann sowohl durch einen Mikrokontroller mit darin enthaltener Software, als auch durch eine – aus Standard Logik Bausteinen bestehende – Hardware Ablaufsteuerung (State Machine) gebildet sein.The sequence control ALS implemented in the control circuit Control can be implemented both by a microcontroller with software contained therein and by a standard logic module existing - hardware flow control (state machine) be formed.

Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der 3 näher erläutert werden. Das Verfahren umfasst dabei mehrere aufeinanderfolge Phasen.In the following, the inventive method based on the 3 be explained in more detail. The method comprises several consecutive phases.

1. Aufladung der Spuleninduktivität1. Charging the coil inductance

Zu Beginn der Zündung wird – wie auch bisher üblich – die Hauptinduktivität der Zündspule ZS aufgeladen. Dazu wird über das Ansteuersignal IGBT_Control von der Steuereinheit SE das Schaltelement IGBT zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet. Der Ladestrom wird dabei als Signal I_Prim erfasst. Da keine sekundärseitige Sperrdiode verwendet wird, muss während des Ladevorganges die Versorgungsspannung Vsupply zeitlich so verändert werden, dass die dabei sekundärseitig induzierte Spannung sicher unter der momentanen Durchbruchspannung bleibt. Deren Wert ist im Wesentlichen durch den momentanen Brennraumdruck gegeben, welcher sich während des Kompressionstaktes stetig verändert. Wichtig ist hierbei, dass der Ladestromwert, welcher der gewünschten Speicherenergie entspricht, spätestens zum Zündzeitpunkt t2 erreicht ist. Ein etwas früheres Erreichen des Ladestromwertes ist dabei unerheblich, da durch Absenken der Versorgungsspannung Vsupply der Strom konstant gehalten werden kann. Die Versorgungsspannung Vsupply wird dabei auf einen Wert geregelt, der durch den Innenwiderstand der Primärwicklung und den Ladestrom gegeben ist. Zusätzlich sind noch die Spannungsverluste am Schaltelement IGBT und am Strommesswiderstand R3 berücksichtigt. Der Wert der zu speichernden Energie kann – basierend auf der Beobachtung vorangegangener Zündvorgänge bzw. über SPI vorgegeben – bei jeder Ladephase unterschiedlich sein und entsprechend adaptiert werden.At the beginning of the ignition is - as usual - the main inductance of the ignition coil ZS charged. For this purpose, the switching element IGBT is switched on at the time t1 via the control signal IGBT_Control by the control unit SE. The charging current is detected as signal I_Prim. Since no secondary-side blocking diode is used, the supply voltage Vsupply must be changed during the charging process in such a way that the secondary-induced voltage remains safely below the instantaneous breakdown voltage. Their value is essentially given by the instantaneous combustion chamber pressure, which changes continuously during the compression stroke. It is important here that the charging current value, which corresponds to the desired storage energy, is reached at the latest at the ignition time t2. A slightly earlier reaching the charging current value is irrelevant, since by lowering the supply voltage Vsupply the current can be kept constant. The supply voltage Vsupply is regulated to a value which is given by the internal resistance of the primary winding and the charging current. In addition, the voltage losses at the switching element IGBT and at the current measuring resistor R3 are taken into account. The value of the energy to be stored can - depending on the observation of previous ignition processes or predefined via SPI - be different for each charging phase and be adapted accordingly.

2. Durchbruch2nd breakthrough

Zum vorgegebenen Zündzeitpunkt t2 wird – wie auch bisher üblich – das Schaltelement IGBT über das Ansteuersignal IGBT_Control ausgeschaltet. Getrieben durch den Zusammenbruch des magnetischen Feldes steigen nun die Primär- und Sekundärspannung der Zündspule ZS rasch an. Im Detail zeigt die Primärspannung – beobachtbar als Signal V_Prim – zunächst einen sehr schnellen Anstieg bis zum Einsatz der Spannungsbegrenzung durch das Schaltelement IGBT bei ca. 400 V. Ursache hierfür ist die Entladung der primären Streuinduktivität. Anschließend sinkt die primärseitige Spannung wiederum, bis sie abermals ansteigt – nun mit einem sinusförmigen Spannungsverlauf. Dieser Spannungsverlauf ist begründet in der rücktransformierten Sekundärspannung. Hierbei wird die sekundäre Kapazität, die durch die Sekundärwicklung und die Elektroden der Zündkerze ZK gebildet wird, mit einem resonanten Umschwingvorgang aus der Hauptinduktivität und der sekundärseitigen Streuinduktivität der Zündspule ZS aufgeladen. (Bei der Betrachtung ist der zwischengeschaltete ideale Transformator zu berücksichtigen.) Bei Erreichen der Durchbruchspannung wird der sinusförmige Umschwingvorgang abrupt beendet und die Primärspannung fällt auf einen Wert von 10 V bis 50 V. Dieser Wert wiederum setzt sich zusammen aus der Versorgungsspannung Vsupply und der rücktransformierten sekundärseitigen Bogenspannung. Diese Details sind in der 3 nicht dargestellt.At the given ignition time t2, the switching element IGBT is switched off via the drive signal IGBT_Control, as has been customary hitherto. Driven by the collapse of the magnetic field now increase the primary and secondary voltage of the ignition coil ZS quickly. In detail, the primary voltage - observable as signal V_Prim - initially shows a very rapid increase until the application of the voltage limitation by the switching element IGBT at approx. 400 V. This is due to the discharge of the primary leakage inductance. Subsequently, the voltage on the primary side decreases again until it rises again - now with a sinusoidal voltage curve. This voltage profile is due to the back-transformed secondary voltage. Here, the secondary capacitance, which is formed by the secondary winding and the electrodes of the spark plug ZK, charged with a resonant Umschwingvorgang from the main inductance and the secondary-side leakage inductance of the ignition coil ZS. (When considering the intermediate ideal transformer should be considered.) When the breakdown voltage is reached, the sinusoidal Umschwingvorgang abruptly terminated and the primary voltage drops to a value of 10 V to 50 V. This value in turn is composed of the supply voltage Vsupply and the back-transformed secondary-side arc tension. These details are in the 3 not shown.

Die Versorgungsspannung Vsupply wird mit Beginn der Durchbruchsphase mittels des Steuersignals V_Control schnell auf ihren Maximalwert von z. B. 30 V gestellt, was in 3 ebenfalls nicht im Detail zu erkennen ist.The supply voltage Vsupply is at the beginning of the breakthrough phase by means of the control signal V_Control quickly to its maximum value of z. B. 30 V, what in 3 also can not be seen in detail.

3. Brennphase (Bogen)3rd burning phase (bow)

Der Beginn der Brennphase wird erkannt, sobald die Primärspannung zum Zeitpunkt t3 unter einen vorgegebenen Wert von z. B. 40 V absinkt. Das davon mittels des Spannungsteilers R1, R2 abgeleitete Signal V_Prim hat dann einen Wert von z. B. 0,5 V und kann mit einem ersten Spannungsvergleicher Comp1 gegen einen ersten Schwellwert V1 verglichen werden. Der Ausgang des ersten Spannungsvergleichers Comp1 wechselt bei Unterschreiten des Sollwertes V1 seinen logischen Zustand. Dieser Wechsel dient dazu, das Schaltelement IGBT zum Zeitpunkt t3 abermals einzuschalten. Da nun die Versorgungsspannung Vsupply wieder hoch eingestellt wird (30 V), wird diese über die Zündspule ZS sekundärseitig als hohe, negative Spannung von z. B. –2,4 kV übertragen. Da zu diesem Zeitpunkt wegen des Lichtbogens ionisiertes Gas zwischen den Elektroden der Zündkerze ZK existiert, erfolgt ein erneuter Durchbruch ungefähr bei der Bogenspannung von ca. –1 kV.The beginning of the burning phase is detected as soon as the primary voltage at time t3 below a predetermined value of z. B. 40 V drops. The signal V_Prim derived therefrom by means of the voltage divider R1, R2 then has a value of z. B. 0.5 V and can be compared with a first voltage comparator Comp1 against a first threshold V1. The output of the first voltage comparator Comp1 changes its logic state when the setpoint value V1 is undershot. This change serves to turn on the switching element IGBT again at time t3. Since now the supply voltage Vsupply is set high again (30 V), this is on the ignition coil ZS on the secondary side as a high, negative voltage of z. B. -2.4 kV transmitted. At this time, because of the arc, ionized gas exists between the electrodes of the spark plug ZK, renewed breakdown occurs approximately at the arc voltage of about -1 kV.

Als Folge der Spannungsdifferenz zwischen der Brennspannung und der transformierten Primärspannung baut sich sehr schnell ein negativer Bogenstrom auf. Der Anstieg ist dabei im Wesentlichen durch die primären und sekundären Streuinduktivitäten und die Spannungsabfälle an den Wicklungswiderständen bestimmt. Der Bogenstrom wird dabei durch das Signal I_Sec mittels des Widerstands R4 erfasst.As a result of the voltage difference between the burning voltage and the transformed primary voltage, a negative arc current builds up very quickly. The increase is essentially determined by the primary and secondary leakage inductances and the voltage drops across the winding resistors. The arc current is detected by the signal I_Sec by means of the resistor R4.

Soll der Bogenstrom nun konstant gehalten werden, so wird er in einer Reglerschaltung Regler1 mit einem ersten Sollwert V2 verglichen. Das Ausgangssignal der Reglerschaltung Regler1 wird über das entsprechend von der Ablaufsteuerung angesteuerte Schaltmittel SM als Steuersignal V_Control dem Spannungswandler DC/DC zugeführt und steuert nun die Versorgungsspannung Vsupply dergestalt, dass der Sekundärstrom I_Sec dem Sollwert V2 entspricht. Die Versorgungsspannung Vsupply wird dabei anfangs einen Wert von z. B. 20 V annehmen, der mit fortdauernder Brenndauer stetig steigt.If the arc current is now to be kept constant, it is compared in a regulator circuit regulator 1 with a first setpoint value V2. The output signal of the regulator circuit controller 1 is supplied to the voltage converter DC / DC via the switching means SM, which are controlled accordingly by the sequence control, as the control signal V_Control and now controls the supply voltage Vsupply such that the secondary current I_Sec corresponds to the setpoint V2. The supply voltage Vsupply is initially a value of z. B. 20 V, which increases steadily with continuous burning time.

Da zugleich zur Stromübertragung auf die Sekundärseite auch die Hauptinduktivität der Zündspule ZS geladen wird, steigt deren Stromfluss stetig an. Er wird über das Signal I_Prim am Widerstand R3 erfasst und durch einen zweiten Spannungsvergleicher Comp2 mit einem zweiten Sollwert V3 verglichen. Steigt das Signal I_Prim infolge des Stromanstieges über den zweiten Sollwert V3, so wird über das Ansteuersignal IGBT_Control das Schaltelement IGBT zum Zeitpunkt t4 erneut ausgeschaltet.Since at the same time the main inductance of the ignition coil ZS is charged to transmit current to the secondary side, their current flow increases steadily. It is detected via the signal I_Prim at the resistor R3 and compared by a second voltage comparator Comp2 with a second setpoint value V3. If the signal I_Prim rises above the second setpoint value V3 as a result of the current increase, the switching element IGBT is again switched off at the time t4 via the drive signal IGBT_Control.

Die Versorgungsspannung Vsupply wird wiederum mittels des Steuersignals V_Control schnell auf ihren Maximalwert von z. B. 30 V gestellt.The supply voltage Vsupply is in turn quickly by means of the control signal V_Control to its maximum value of z. B. 30 V provided.

Wie unter 2. Durchbruch beschrieben, treibt der Zusammenbruch des Magnetfeldes nun die Sekundärspannung in positive Richtung, bis – bei einer Spannung von ca. +1 kV ein erneuter Durchbruch mit anschließender Bogenphase erfolgt. Diese erneute Bogenphase wird nun durch die zuvor in der Hauptinduktivität gespeicherte Energie gespeist, wobei der (nun positive) sekundärseitige Bogenstrom stetig abnimmt. Da der erneute Durchbruch bei wesentlich geringerer Spannung erfolgt ist, ist hierbei auch wesentlich weniger Energie zur Aufladung der Sekundärkapazität erforderlich und die verbleibende Restenergie entspricht im Wesentlichen der zuvor gespeicherten Energie.As described in the 2nd breakthrough, the collapse of the magnetic field now drives the secondary voltage in a positive direction until - at a voltage of approx. +1 kV, another breakdown and subsequent arc phase occur. This renewed arc phase is now fed by the energy previously stored in the main inductance, with the (now positive) secondary-side arc current steadily decreasing. Since the renewed breakthrough has occurred at much lower voltage, much less energy is required to charge the secondary capacitance and the residual energy remaining essentially corresponds to the previously stored energy.

Über das Signal I_Sec wird nun der sekundärseitige Bogenstrom mit einem dritten Spannungsvergleicher Comp3 gegen einen dritten Schwellwert V4 verglichen. Sinkt der Wert von I_Sec unter den dritten Schwellwert V4, so wechselt der Ausgangszustand des dritten Spannungsvergleichers Comp3 und das Schaltelement IGBT wird zum Zeitpunkt t5 erneut eingeschaltet. Dadurch erfolgt eine erneute Bogenphase mit negativem Bogenstrom, wie oben beschrieben.The secondary-side arc current is compared with a third voltage comparator Comp3 against a third threshold value V4 via the signal I_Sec. If the value of I_Sec falls below the third threshold V4, the output state of the third voltage comparator Comp3 changes and the switching element IGBT is turned on again at the time t5. This results in a renewed arc phase with negative arc current, as described above.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Schwellwert V1 dynamisch gestaltet werden, wodurch ein veränderliches Brennstromprofil erzeugt werden kann. Beispielsweise kann mit steigender Brenndauer der Bogenstrom steigen, was die Entflammsicherheit erhöht, ohne den Kerzenverschleiß negativ zu beeinflussen.In an advantageous embodiment of the invention, the first threshold V1 can be made dynamic, whereby a variable fuel flow profile can be generated. For example, as the burning time increases, the arc current increases, which increases the flameproofness without adversely affecting the wear of the candle.

4. Ende der Brennphase4. End of the burning phase

Dieser zyklische Wechsel von negativem und positivem Brennstrom kann beliebig oft wiederholt werden und wird erst durch die vorgegebene Brenndauer von z. B. 1 ms beendet. Nun wird das Schaltelement IGBT endgültig ausgeschaltet. Die zu diesem Zeitpunkt t6 in der Zündspule ZS gespeicherte Energie baut sich noch im Bogen ab, woraufhin dieser verlischt. Der Zündvorgang ist beendet.This cyclic change of negative and positive fuel flow can be repeated as often as desired and is only by the predetermined burning time of z. B. 1 ms ended. Now, the switching element IGBT is finally turned off. The stored at this time t6 in the ignition coil ZS energy is still in the arc, whereupon this goes out. The ignition is finished.

5. Nachzünden bei Zündaussetzern5. Follow-up on misfiring

Während der Brennphase kann der Lichtbogen verlöschen, z. B. verursacht durch Verblasen wegen erhöhter Turbulenzen im Elektrodenbereich oder durch Benetzung der Elektroden mit Kraftstofftröpfchen. Geschieht dies in einer Bogenphase bei eingeschaltetem Schaltelement IGBT, so fällt der Sekundärstrom spontan auf Null und kann durch Beobachtung des Signals I_Sec erkannt werden. Zu diesem Zwecke wird das Signal I_Sec durch einen vierten Spannungsvergleicher Comp4 mit einem vierten Schwellwert V5 verglichen und bei Überschreiten dieses Schwellwerts V5 durch das Signal I_Sec das Schaltelement IGBT ausgeschaltet, woraufhin ein erneuter Durchbruch erfolgt. Anschließend erfolgt der oben beschriebenen Ablauf der Bogenphase.During the burning phase, the arc can go out, z. B. caused by blowing due to increased turbulence in the electrode region or by wetting the electrodes with fuel droplets. If this occurs in an arc phase when the switching element IGBT is switched on, the secondary current spontaneously drops to zero and can be detected by observing the signal I_Sec. For this purpose, the signal I_Sec is compared by a fourth voltage comparator Comp4 with a fourth threshold V5 and turned off when this threshold V5 is exceeded by the signal I_Sec the switching element IGBT, whereupon a renewed breakthrough takes place. Subsequently, the sequence of the arc phase described above takes place.

Geschieht dies während der Entladephase der Hauptinduktivität bei ausgeschaltetem Schaltelement IGBT, so treibt diese die Sekundärspannung, bis ein abermaliger Durchbruch stattfindet. Fällt der Bogenstrom in Folge des Energieverlustes unter den dritten Schwellwert V4, so wird das Schaltelement IGBT abermals eingeschaltet und der Ablauf der Bogenphase setzt – wie oben beschrieben – erneut ein.If this occurs during the discharge phase of the main inductance when the switching element IGBT is switched off, then this drives the secondary voltage until a further breakdown takes place. If the arc current drops below the third threshold value V4 as a result of the energy loss, then the switching element IGBT is switched on again and the sequence of the arc phase sets in again as described above.

Somit ist sichergestellt, dass im Falle eines Verlöschens des Lichtbogens eine sofortige Nachzündung erfolgt. Zündaussetzer finden mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr statt.Thus, it is ensured that in case of extinction of the arc, an immediate Nachzündung takes place. Misfiring is unlikely to occur.

6. Mehrfachfunkenzündung6. Multiple spark ignition

Der Ablauf einer Mehrfachzündung entspricht im Wesentlichen den oben beschriebenen Betriebsphasen. Im Gegensatz dazu ist aber die Brennphase stark verkürzt, etwa 0,1 ms im Vergleich zu üblichen 0,5 ms bis 1,5 ms. Jedoch wird der Zündvorgang in rascher Folge mehrmals wiederholt.The sequence of multiple ignition essentially corresponds to the operating phases described above. In contrast, however, the burning phase is greatly shortened, about 0.1 ms compared to the usual 0.5 ms to 1.5 ms. However, the ignition is repeated several times in rapid succession.

Nach erfolgter Aufladung und erfolgtem Überschlag wird die folgende Brennphase (bei eingeschaltetem Schaltelement IGBT) zum gewünschten Zeitpunkt durch Absenken der Versorgungsspannung Vsupply unterbrochen. Diese wird dabei rasch auf einen Wert abgesenkt, der zum Erhalt des Ladestromes erforderlich ist und sicher unterhalb der rücktransformierten Brennspannung des Lichtbogens liegt. Der Funke verlischt also spontan und die Spule bleibt geladen. Zum vorgegebenen Zeitpunkt wird nun das Schaltelement IGBT wiederum ausgeschaltet und es erfolgt ein erneuter Durchbruch mit anschließender Bogenphase. Dieser Vorgang kann nun entsprechend der Voreinstellung mehrmals wiederholt werden.After charging has taken place and the flashover has occurred, the following firing phase (with the switching element IGBT switched on) is interrupted at the desired time by lowering the supply voltage Vsupply. This is rapidly lowered to a value that is required to maintain the charging current and safely below the back-transformed arc voltage of the arc. The spark thus spontaneously goes out and the coil remains charged. At the given time, the switching element IGBT is now turned off again and there is a renewed breakthrough with subsequent arc phase. This process can now be repeated several times according to the default setting.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren und der Zündvorrichtung werden sämtliche eingangs gestellten Anforderungen vollständig erfüllt. Wegen der Weiterverwendung der gebräuchlichen Zündungskomponenten und der vergleichsweise einfach gehaltenen Zusatzelektronik entstehen nur geringe Mehrkosten, die durch die nun mögliche Verkleinerung der Zündspulen sicher aufgefangen werden. Von besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren bei schwierigen Entflammungslagen wie etwa beim Kaltstart von Motoren, die mit Ethanol betrieben werden.With the method described here and the ignition device all the requirements are fully met. Because of the further use of the usual ignition components and the comparatively simple additional electronics only minor additional costs incurred, which are safely absorbed by the now possible reduction of the ignition coils. Of particular advantage is the method of the invention in difficult flaming conditions such as the cold start of engines that are operated with ethanol.

Claims (6)

Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einer als Transformator ausgebildeten Zündspule (ZS), einer mit der Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) verbundenen Zündkerze (ZK), einem in Serie zur Primärwicklung der Zündspule (ZS) geschalteten ansteuerbaren Schaltelement (IGBT) und einer mit der Primärwicklung der Zündspule (ZS) und dem Steuereingang des Schaltelements (IGBT) verbundenen Steuereinheit (SE) gebildet ist, wobei die Steuereinheit (SE) eine einstellbare Versorgungsspannung (Vsupply) für die Zündspule (ZS) und ein Ansteuersignal (IGBT_Control) für das Schaltelement (IGBT) abhängig von den Strömen (I_Prim, I_Sec) durch die Primär- und die Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) und der Spannung zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung der Zündspule (ZS) mit dem Schaltelement (IGBT) und dem negativen Anschluss der Versorgungsspannung (GND) bereitstellt, mit folgendem Ablauf: in einer ersten Phase (Aufladung) wird das Schaltelement (IGBT) durch das Ansteuersignal (IGBT_Control) zu einem ersten Einschaltzeitpunkt (t1) leitend und zum vorgegebenen Zündzeitpunkt (t2) wieder nicht-leitend geschaltet, in einer sich anschließenden zweiten Phase (Durchbruch) wird die Primärspannung oder eine davon abgeleitete Spannung (V_prim) mit einem ersten Schwellwert (V1) verglichen und bei Unterschreiten des ersten Schwellwerts (V1) durch diese Spannung (V_prim) das Schaltelement (IGBT) zu einem zweiten Einschaltzeitpunkt (t3) wieder leitend geschaltet, in einer sich daran anschließenden dritten Phase (Bogen) wird die Versorgungsspannung (Vsupply) derart geregelt, dass der Strom (I_sec) durch die Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) etwa einem vorgegebenen Strom (V2) entspricht und der Strom (I_prim) durch die Primärwicklung der Zündspule (ZS) wird mit einem vorgegebenem zweiten Schwellwert (V3) verglichen und bei Überschreiten des zweiten Schwellwerts (V3) durch diesen Strom (I_prim) das Schaltelement (IGBT) zu einem ersten Abschaltzeitpunkt (t4) wieder nicht-leitend geschaltet, in einer sich daran anschließenden vierten Phase (Durchbruch) wird der Strom (I_sec) durch die Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) mit einem dritten Schwellwert (V4) verglichen und bei Unterschreiten des dritten Schwellwerts (V4) durch diesen Strom (I_sec) wird das Schaltelement (IGBT) zu einem dritten Einschaltzeitpunkt (t5) wieder leitend geschaltet, daran anschließend wird die dritte und die vierte Phase gegebenenfalls wiederholt, bis eine vorgegebene Brenndauer zu einem Zeitpunkt (t6) erreicht ist, zu dem das Schaltelement (IGBT) endgültig nicht-leitend geschaltet wird.Method for operating an ignition device for an internal combustion engine, comprising an ignition coil (ZS) designed as a transformer, a spark plug (ZK) connected to the secondary winding of the ignition coil (ZS), a controllable switching element (IGBT) connected in series with the primary winding of the ignition coil (ZS) ) and a control unit (SE) connected to the primary winding of the ignition coil (ZS) and the control input of the switching element (IGBT), wherein the control unit (SE) an adjustable supply voltage (Vsupply) for the ignition coil (ZS) and a drive signal (IGBT_Control) for the switching element (IGBT) depending on the currents (I_Prim, I_Sec) through the primary and the secondary winding of the ignition coil (ZS ) and the voltage between the connection point of the primary winding of the ignition coil (ZS) with the switching element (IGBT) and the negative terminal of the supply voltage (GND) provides, with the following sequence: in a first phase (charging), the switching element (IGBT) by the drive signal (IGBT_Control) to a first switch-on (t1) conductive and switched to the predetermined ignition timing (t2) again non-conductive, In a subsequent second phase (breakdown), the primary voltage or a voltage derived therefrom (V_prim) is compared with a first threshold value (V1) and falls below the first threshold value (V1) by this voltage (V_prim) the switching element (IGBT) to a second switch-on time (t3) switched back on, in a subsequent third phase (arc), the supply voltage (Vsupply) is controlled such that the current (I_sec) through the secondary winding of the ignition coil (ZS) corresponds approximately to a predetermined current (V2) and the current (I_prim) through the primary winding the ignition coil (ZS) is compared with a predetermined second threshold value (V3) and when the second threshold value (V3) is exceeded by this current (I_prim), the switching element (IGBT) is switched to non-conductive again at a first switch-off time (t4), in a subsequent fourth phase (breakdown), the current (I_sec) through the secondary winding of the ignition coil (ZS) with a third threshold (V4) is compared and falls below the third threshold (V4) by this current (I_sec) is the switching element (IGBT) again switched to a third switch-on time (t5), Thereafter, the third and fourth phases are optionally repeated until a predetermined burning time is reached at a time (t6) when the switching element (IGBT) is finally rendered nonconductive. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem nicht-leitend Schalten des Schaltelements (IGBT) die Versorgungsspannung (Vsupply) auf ihren Maximalwert eingestellt wird.A method according to claim 1, characterized in that the non-conductive switching of the switching element (IGBT), the supply voltage (Vsupply) is set to its maximum value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der dritten Phase vorgegebene Strom (V2) variabel, insbesondere ansteigend, ist.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the predetermined in the third phase current (V2) is variable, in particular rising, is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Phasen (Bogen), in denen das Schaltelement (IGBT) leitend geschaltet ist, der Strom (I_sec) durch die Sekundärwicklung mit einem vierten Schwellwert (V5) verglichen wird und das Schaltelement (IGBT) nicht-leitend geschaltet wird, wenn der vierte Schwellwert (V5) durch diesem Strom überschritten wird und dass darauffolgend die Primärspannung oder eine davon abgeleitete Spannung (V_prim) mit dem ersten Schwellwert (V1) verglichen und bei Unterschreiten des ersten Schwellwerts durch diese Spannung (V_prim) das Schaltelement wieder leitend geschaltet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the phases (arc) in which the switching element (IGBT) is turned on, the current (I_sec) through the secondary winding with a fourth threshold (V5) is compared and the switching element ( IGBT) is turned off when the fourth threshold value (V5) is exceeded by this current and that subsequently the primary voltage or a voltage derived therefrom (V_prim) is compared with the first threshold value (V1) and falls below the first threshold value by this voltage (V_prim) the switching element is turned on again. Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einer als Transformator ausgebildeten Zündspule (ZS), deren Sekundärwicklung zur Verbindung mit einer Zündkerze (ZK) ausgebildet ist, einem in Serie zur Primärwicklung der Zündspule (ZS) geschalteten ansteuerbaren Schaltelement (IGBT) und einer mit der Primärwicklung der Zündspule (ZS) und dem Steuereingang des Schaltelements (IGBT) verbundenen Steuereinheit (SE) gebildet ist, wobei die Steuereinheit (SE) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem steuerbaren Spannungswandler (DC/DC) gebildet ist, der an seinem Ausgang (Vout) eine abhängig von einem an seinem Steuereingang (Ctrl) anliegenden Steuersignal (V_Control) einstellbare Versorgungsspannung (Vsupply) für die Zündspule (ZS) bereitstellt und mit einer Kraftfahrzeugbordnetzspannung (V_bat) verbindbar ist, und mit einer Steuerschaltung (Control) gebildet ist, die das Steuersignal (V_Control) für den Spannungswandler (DC/DC) und ein Ansteuersignal (IGBT_Control) für das Schaltelement (IGBT) abhängig von den Strömen durch die Primär- und die Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) und der Spannung zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung mit dem Schaltelement (IGBT) und dem negativen Anschluss (GND) der Versorgungsspannung (Vsupply) bereitstellt.Ignition device for an internal combustion engine, which is formed with a designed as a transformer ignition coil (ZS), the secondary winding for connection to a spark plug (ZK), a series-connected to the primary winding of the ignition coil (ZS) controllable switching element (IGBT) and one with the primary winding the ignition coil (ZS) and the control input of the switching element (IGBT) connected control unit (SE) is formed, wherein the control unit (SE) for performing a method according to one of claims 1 to 4 is formed with a controllable voltage converter (DC / DC), which at its output (Vout) provides an adjustable supply voltage (Vsupply) for the ignition coil (ZS) dependent on a control signal (V_Control) present at its control input (Ctrl) and can be connected to a motor vehicle electrical system voltage (V_bat), and with a control circuit (control) which has the control signal (V_Control) for the voltage converter (DC / DC) and a control signal (IGBT_Control) for the switching element (IGBT) as a function of the currents through the primary and the secondary winding of the ignition coil ( ZS) and the voltage between the connection point of the primary winding with the switching element (IGBT) and the negative terminal (GND) of the supply voltage (Vsupply) provides. Zündvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (Control) Spannungsvergleicher (Comp1, ... Comp4) aufweist, deren Referenzeingänge mit Referenzsignalen (V1, V3, V4, V5) und deren Vergleichseingänge mit den Strom durch die Primärwicklung der Zündspule und den Strom durch die Sekundärwicklung der Zündspule repräsentierenden Signalen und der von der Spannung zwischen dem Verbindungspunkt der Primärwicklung mit dem Schaltelement (IGBT) und dem negativen Anschluss (GND) der Versorgungsspannung (Vsupply) abgeleiteten Spannung (V_Prim) beaufschlagbar sind und deren Ausgänge mit Eingängen einer Ablaufsteuerung (ALS) verbunden sind, deren erster Ausgang mit dem Steuereingang des Schaltelements (IGBT) und deren zweiter Ausgang über ein von der Ablaufsteuerung (ALS) umschaltbares Schaltmittel (SM) mit dem Steuereingang (Ctrl) des Spannungswandlers (DC/DC) verbunden ist und dass die Steuerschaltung (Control) eine Reglerschaltung (Regler1) aufweist, deren Referenzeingang mit einem einen Sollwert repräsentierenden Referenzsignal (V5) und deren Vergleichseingang mit dem den Strom durch die Sekundärwicklung der Zündspule (I_sec) repräsentierenden Signal beaufschlagbar ist und deren Ausgang über das umschaltbare Schaltmittel (SM) mit dem Steuereingang (Ctrl) des Spannungswandlers (DC/DC) verbunden ist.Ignition device according to claim 5, characterized in that in that the control circuit comprises voltage comparators (Comp1, ... Comp4), their reference inputs with reference signals (V1, V3, V4, V5) and their comparison inputs with the current through the primary winding of the ignition coil and the current through the secondary winding of the ignition coil Signals can be acted upon and derived from the voltage between the connection point of the primary winding with the switching element (IGBT) and the negative terminal (GND) of the supply voltage (Vsupply) voltage (V_Prim) and whose outputs are connected to inputs of a sequence control (ALS), whose the first output is connected to the control input of the switching element (IGBT) and the second output thereof is connected to the control input (Ctrl) of the voltage converter (DC / DC) via a switching means (SM) switchable by the sequence control (ALS) and the control circuit (control) has a regulator circuit (regulator 1) whose reference input can be acted upon by a reference signal (V5) representing a reference value and whose comparison input can be acted upon by the signal representing the current through the secondary winding of the ignition coil (I_sec) and its output via the switchable switching means (SM) is connected to the control input (Ctrl) of the voltage converter (DC / DC).
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